紅外熱像儀是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)(目前先進的焦平面技術(shù)省去了光機掃描系統(tǒng))接收被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構(gòu)(焦平面熱像儀無此機構(gòu))對被測物體的紅外熱像進行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上。由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換為標準視頻信號，通過電視屏或監(jiān)視器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。除顯示紅外熱輻射圖像，紅外熱像儀還能提供精確的非接觸溫度測量功能。
從帶有掃描裝置的第一代熱像儀到焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的凝成像紅外熱像儀，紅外熱像儀已從笨重、操作復(fù)雜發(fā)展成為輕巧、操作方便簡潔的便攜式手持設(shè)備。
高性能處理器芯片的不斷發(fā)展，給紅外熱像儀帶來了新的動力。利用恰當?shù)奶幚砥鳎梢蕴岣邎D像的處理速度，并設(shè)計出更精巧的產(chǎn)品。本文就此討論基于非制冷焦平面探測器和高性能雙核處理器OMAPl510的紅外熱像儀的設(shè)計。
1 硬件體系結(jié)構(gòu)
由于被測目標物體紅外輻射的熱像分布圖信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感。因此，在實際探測過程中為更有效地判斷被測目標的紅外熱分布場，常采用一些輔助措施增加儀器的實用功能，如圖像亮度/對比度的控制、實標校正、偽色彩描繪等高線和直接進行數(shù)學(xué)運算，打印等。
本便攜式紅外熱像儀主要由具有320×240非制冷焦平面探測器的紅外攝像頭、預(yù)處理單元、OMAPl510處理器及其外圍器件組成，如圖1所示。
通過紅外攝像頭采集的320×2AO圖像數(shù)據(jù)量較大，自探測器轉(zhuǎn)換而來的電信號經(jīng)采樣后，先經(jīng)過預(yù)處理模塊，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16位數(shù)據(jù)交由OMAPl510處理。0MAPl510則需要對圖像數(shù)據(jù)進行窗位窗寬處理、256色的偽彩轉(zhuǎn)換、亮度對比度調(diào)節(jié)等，并最終在320×240的液晶屏上顯示。
OMAPl510處理器是TI公司生產(chǎn)的高性能單芯片雙核處理器.它主要由TMS320C55x DSP內(nèi)核、低功耗增強型ARM925T。微處理器、交通控制器(Traffic Controller)、強大的DMA控制器和豐富的外圍設(shè)備等組成。
TI增強型ARM925T核采用ARM RISC體系結(jié)構(gòu)，工作主頻為175MHz。它包括存儲器管理單元、16KB的高速指令緩沖存儲器(Cache)、8KB的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器和17個字的寫緩沖器。片內(nèi)有1.5MB的內(nèi)部SRAM，為液晶顯示等應(yīng)用提供大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲空間。它有13個內(nèi)部中斷和19個外部中斷，采用兩級中斷管理。此外，核內(nèi)還有ARM CPl5協(xié)處理器和保護模塊。
C55x DSP核具有最佳的功耗性能比，工作主頻為200MHz。它增加了三個硬件加速器：離散余弦變換，反相離散余弦變換加速器、運動估計運算加速器和半像素插值加速器。C55x DSP核內(nèi)部有32K字的雙存取SRAN，48K字的單存取SRAM和12K字的高速指令緩存。此外，核內(nèi)還包含存儲器管理單元(MMU)、兩級中斷管理器和直接存儲器訪問(DMA)控制器。
交通控制器是ARM925T處理器與各存儲芯片進行數(shù)據(jù)交換的中樞，同時也控制DSP、DMA控制器及本地總線接口對各存儲器的訪問。根據(jù)片外存儲器的特性，交通控制器可以靈活配置訪問的字寬、周期及整字訪問的突發(fā)式訪問。
OMAPl510芯片具有豐富的外圍接口，如液晶控制器、存儲器接口、攝像頭接口、藍牙接口、通用異步收發(fā)器、I2C主機接口、脈寬音頻發(fā)生器、串行接口、主客戶機USB口、安全數(shù)字多媒體卡控制器(SD/MMC)接口、鍵盤接口等。
2 軟件構(gòu)架
軟件構(gòu)架如圖2所示。MPU側(cè)加載嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對前端圖像數(shù)據(jù)的讀取，對LCD、觸摸屏、鍵盤、SD卡等設(shè)備的訪問，與DSP的通信，以及Qt應(yīng)用程序的運行等。應(yīng)用程序?qū)CD等外圍設(shè)備的訪問都由相應(yīng)的Linux驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。MPU對DSP的訪問也是把DSP當作設(shè)備，在MPU倒加載所謂的DSP驅(qū)動實現(xiàn)。DSP側(cè)在DSP/BIOS的基礎(chǔ)上構(gòu)造進行數(shù)據(jù)處理的任務(wù)(tasks)，對圖像數(shù)據(jù)進行運算處理，如窗位窗寬調(diào)節(jié)、偽彩查色、亮度和對比度調(diào)節(jié)等。 MPU與DSP之間的通信有三種實現(xiàn)方式：mailbox寄存器、MPU接口和共享內(nèi)存。
(1)MPU/DSP mailbox寄存器
MPU與DSP處理器通過mailbox中斷機制通信。在公共TIPB空間有4個mailbox寄存器設(shè)備被雙核共享。其中，2個mailbox寄存器用來讓MPU發(fā)消息并向DSP發(fā)出中斷信號，另外2個用來讓DSP發(fā)消息并向MPU發(fā)出中斷請求信號。每個mailbox寄存器設(shè)備由2個16位寄存器和l位標志寄存器組成。發(fā)出中斷的處理器可以用一個16位寄存器發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)給接收中斷的處理器，而用另一個16位寄存器發(fā)送一個字的命令。
當一個處理器向命令寄存器寫入合適的命令字并對另一個處理器產(chǎn)生中斷，設(shè)置了合適的標志寄存器，通信即實現(xiàn)。接收中斷方的處理器通過讀取命令字、清除標志寄存器確認這次中斷。此時每個mailbox寄存器中的數(shù)據(jù)寄存器有效，可以傳送2個字的數(shù)據(jù)。
(2)MPU Interface(MPU)
MPUI允許MPU、系統(tǒng)DMA控制器與DSP及其外圍通信。MPUI允許訪問所有的DSP內(nèi)存空間(16MB)和公有外圍總線。所以，MPU和系統(tǒng)DMA控制器都有訪問完整的DSP I/O空間(128KB)的讀寫權(quán)限，包括DSP公有的外圍控制寄存器。
(3)MPU/DSP共享內(nèi)存
OMAP1510通過交通控制器(Traffic Controller)實現(xiàn)了一種共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)。所以，MPU和DSP都可以訪問相同的共享內(nèi)存SRAM(192KB)及EMIFF、EMIFS內(nèi)存空間。MPU通過DSP的內(nèi)存管理單元。MMU確定DSP的哪塊區(qū)域為可以用來訪問的共享內(nèi)存。通過分配共享內(nèi)存區(qū)域，定義好MPU和DSP之間訪問此共享內(nèi)存的協(xié)議，處理器之間的交流機制即可實現(xiàn)。
本系統(tǒng)MPU與DSP的通信是結(jié)合mailbox寄存器和共享內(nèi)存實現(xiàn)的。由于圖像數(shù)據(jù)較大，而mailbox的寄存器每次通信只能發(fā)送2×16bits的數(shù)據(jù)，所以僅用mailbox不能高效地實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的共享。共享內(nèi)存雖然可以讓MPU與DSP共享一段內(nèi)存。但卻缺少同步機制。用mailbox registers建立握手信號(中斷)，可以使MPU和DSP同步訪問共享內(nèi)存。當MPU將原始數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存后，通過寫mailbox發(fā)送消息并向DSP發(fā)出中斷信號來通知DSP處理數(shù)據(jù);而當DSP處理數(shù)據(jù)完畢，也通過寫mailbox寄存器發(fā)送消息并向MPU發(fā)出中斷信號，通知MPU數(shù)據(jù)準備好。
在測試過程中發(fā)現(xiàn)，MPU和DSP在通過mailbox通信時會有延時，當數(shù)據(jù)量、運算量較小時，采用雙核機制的效率較低;而當數(shù)據(jù)量和運算量較大時，雙核機制遠比僅用MPU時效率高。MPU與DSP通信之問的延時對整個系統(tǒng)的影響不大。本系統(tǒng)在動態(tài)顯示320×240、16位的圖像數(shù)據(jù)時，DSP對數(shù)據(jù)做窗位窗寬處理、偽彩查表，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LCD可接收的5—6—5格式，顯示速率約為18幀/秒。而這些操作都交由MPU處理時，顯示速率只有11.5幀/秒。
3 Qt應(yīng)用程序設(shè)計
面向嵌入式系統(tǒng)的GUI主要有MiniGUI、OpenGUI、MicomWindows、Ot/Embedded幾種。本系統(tǒng)采用Qt/Embedded。
Qt是挪威Troll Tech開發(fā)的一個多平臺的C++圖形用戶界面工具包。它使用C++語言，具有面向?qū)ο缶幊痰奶攸c，因而采用Qt編寫的程序易懂且易于維護。
Qt/Embedded是基于有幀緩沖(frame-buffer)支持的Linux嵌入式平臺的獨立的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序平臺的開發(fā)工具。它包含一套完整的GUI類、操作系統(tǒng)封裝、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類、效用和綜合類，可直接對framebuffer寫操作，避免用戶使用復(fù)雜的Xlib/Xserver系統(tǒng)。它對嵌入式用戶提供全部源碼，并允許修改及進一步調(diào)試。在Qt/embedded的移植過程中，當所使用的設(shè)備(如觸摸屏、鍵盤)不是Qt所支持的標準控件時，需要修改Qt/embedded源代碼，以實現(xiàn)Qt程序?qū)υO(shè)備的響應(yīng)。
本系統(tǒng)Qt應(yīng)用程序圖像顯示部分的軟件流程如圖3所示。其用戶界面具有窗口風格，從主菜單中選擇不同選項，可以彈出相應(yīng)的功能窗口：全屏顯示紅外熱圖;回放保存在存儲卡上的圖像(BMP位圖);刪除存儲卡上的圖像、感興趣點溫度顯示等。點擊窗口上的退出按鈕，可以關(guān)閉相應(yīng)功能窗口。操作過程既可以通過按鍵完成，也可以通過點擊觸摸屏實現(xiàn)。整個GUI界面風格簡潔，操作簡單。
本文通過便攜式紅外熱像儀的開發(fā)設(shè)計過程，說明了非制冷紅外探測熱像儀的原理，探討了OMAPl510手持終端的實現(xiàn)方法。由此設(shè)計出的紅外熱像儀的各項性能指標都達到了較高水平，如可以實現(xiàn)紅外熱像的高速動態(tài)攝像、圖片存儲到SD卡、圖片回放、USB口圖像傳輸?shù)裙δ?。實踐表明，雙核結(jié)構(gòu)的0MAP系列是一種處理能力強、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式系統(tǒng)芯片。它將在需要較強處理能力的便攜式裝置中表現(xiàn)出優(yōu)良特性。
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